Propananlage kühlt Hopfenlagerraum

Mit dem natürlichen Kältemitteln CO₂ (R744) und brennbaren Kältemitteln z. B. Propan haben Kältemittelhersteller auf einmal ernstzunehmende Konkurrenz bekommen. Sie versuchen mit einer Unzahl neuer Kältemittel (KM) sich der aktuellen Gesetzeslage anzupassen und im Markt zu bleiben. Letztendlich können sie aber nur brennbare Kältemittel mit niedrigem GWP oder nicht brennbare Kältemittel mit hohem GWP anbieten. Was viele hoffen, ein nicht brennbares Kältemittel mit niedrigem GWP, wird es nicht geben.

R744 hat sich im Supermarktbereich seine Stellung erobert. Allerdings ist ein hoher apparativer und regeltechnischer Aufwand nötig, um die gleiche oder bessere Effektivität einer F-Gase-Anlage zu erzielen. Beim aktuellen Fachkräftemangel in der Branche scheint alleine schon die Verfügbarkeit von Kälteanlagenbauern mit entsprechenden Fachkenntnissen ein Problem zu sein.

Brennbare Kältemittel haben diesen Nachteil nicht. Der Kältekreis entspricht größtenteils dem einer F-Gase-Anlage. Das ist für den Kälteanlagenbauer ein großer Vorteil. Aufgrund der Brennbarkeit stößt Propan leider häufig auf Vorbehalte – auch beim Kälteanlagenbauer. Zwar setzt der Kälteanlagenbauer zum Löten Propan ohne Bedenken ein, aber wenn Propan als Kältemittel verwendet wird, haben viele Vorbehalte. Dabei muss bei Kälteanlagen mit brennbaren KM nur ein meist einfaches aber wirkungsvolles Sicherheitskonzept umgesetzt werden.

Das Projekt „Hopfenlagerraum“

Im Hopfenanbaugebiet Hallertau wird der Hopfen unter anderen von der Firma Steiner verarbeitet. Im Zuge einer Betriebserweiterung sollte neben dem bestehenden Hopfenlager ein zweites baugleiches Hopfenlager erstellt werden. Schon die Dimension eines Hopfenlagers ist sehr groß und weist eine Grundfläche von 66 x 25 m auf. Die Höhe beträgt 32 m. Der Hopfen wird bei 2 °C gelagert. Der Kältebedarf (120 kW) wird von einem Verbund mit halbhermetischen Verdichtern gedeckt. Als Kältemittel dient direktverdampfendes R404A.

Der Betreiber hatte gute Erfahrungen mit der Bestandsanlage gemacht, deshalb sollte die neue Anlage genauso ausgeführt werden. Jedoch wünschte der Betreiber, dass Propan als Kältemittel verwendet wird. Folglich musste die Anlage als indirektes System mit einem Kälteträger geplant werden. Die ausführende Firma war die Heilmeier Elektro-, Kälte-und  Klimatechnik GmbH in 86654 Pöttmes.

Die Kälteanlage sollte in einem Maschinenraum ohne Personenaufenthalt aufgestellt werden und alle anderen Komponenten (Verflüssiger u.a.) im Freien. Bei der Planung einer Kälteanlage mit brennbarem Kältemittel muss mit Hilfe der EN378 die maximale Füllmenge bestimmt werden. Mit der geplanten Aufstellsituation ergibt sich keine Beschränkung der Füllmenge.

Eine weitere zu beantwortende Frage ist, nach welchem Prüfmodul die Konformität gemäß DGRL bestätigt werden muss. Ausschlaggebend ist der größte Behälter der Kälteanlage. In diesem Fall zählt der Sammler mit 56 l Inhalt. Damit fällt die Anlage in die Kategorie IV und muss gemäß Modul G geprüft werden. Modul G heißt: Einzelprüfung durch eine zugelassene Überwachungsstelle (ZÜS).

Das Sicherheitskonzept

Es sollten möglichst nur Komponenten mit Zulassung für brennbare KM verwendet werden (Druckschalter, Verdichter usw.). Propan ist schwerer als Luft, deshalb muss im Maschinenraum unten ein Gassensor vorgesehen werden. Die Verwendung eines 2-stufigen Sensors bietet den Vorteil, dass Voralarm ausgegeben werden kann. Bei Voralarm kann die Kälteanlage weiter laufen. Hauptalarm wird ausgelöst, wenn 25 % des praktischen Grenzwertes erreicht sind. Hauptalarm heißt: Optischer und akustischer Alarm wird ausgelöst. Der Alarm wird weiter gemeldet. Alle nicht ATEX-Komponenten (Kälteanlage!) werden spannungsfrei geschaltet und die Notlüftung saugt den Raum ab.

Energetische Optimierungen

Verdichter und Verflüssiger sind jeweils mit einem Frequenzumrichter geregelt. Ein elektronisches Expansionsventil wird verwendet. Und hinter dem Sammler wurde ein Unterkühler installiert. Besonderes Augenmerk lag auf den Luftkühlern. Der Kältebedarf wird von zwei an einem Kanalnetz angeschlossenen Standluftkühlern gedeckt. Bei Nennleistung liegt die Leistungsaufnahme der Ventilatormotoren bei 22 kW. Die Leistungsaufnahme von Ventilatoren folgt einer kubischen Funktion zur Ventilatordrehzahl und Kälteleistung der Luftkühler. Man muss auch berücksichtigen, dass die aufgenommene elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird, die wiederum von der Kälteanlage gedeckt werden muss. Es ist also sehr sinnvoll, die Drehzahl der Luftkühler zu regeln. Umgesetzt wurde die Regelung mit zwei Frequenzumrichtern. Die Regelung erfolgt proportional zur Abweichung des Istwertes vom Sollwert.

Ergebnisse

Nach dem ersten Betriebsjahr teilte uns der Betreiber die Betriebskosten für die Bestandsanlage und die neue Anlage mit. Diese betragen 40.000 € pro Jahr für die Bestandsanlage und 20.000 € pro Jahr für die neue Anlage. Es hat uns schon überrascht, dass die neue Anlage mit den zusätzlichen, schlechteren Wärmeübergängen und der Hydraulikpumpe so viel besser abschneidet.

TEWI-Wert

Die umweltrelevanten Auswirkungen einer Kälteanlage können am einfachsten mit dem TEWI-Wert beurteilt werden. Dieser berücksichtigt die direkten (Leckagen und Rückgewinnungsverlust) und indirekten (Strombedarf) Treibhauseffekte. Mit der neuen Anlage konnte der TEWI-Wert auf unter 40 % des Wertes der Bestandanlage gesenkt werden.

Wirtschaftliche Betrachtung

In der Tabelle wurden die Kosten für die Bestandsanlage gleich 100 gesetzt. In Relation dazu muss für die neue Anlage 40 % mehr investiert werden. Nimmt man die Werte mal Tausend, kommt man auf realistische Euro-Beträge. Dass bei Mehrkosten von 40.000 € und jährlichen Einsparungen von 20.000 € der Return of Investment (ROI) bereits nach zwei Jahren erfolgt, ist schnell ersichtlich.

Setzt man eine Lebenszeit von 15 Jahren für die Anlagen an, summieren sich die Gesamtsummen (Investment und Betriebskosten) auf 700.000 € für die Bestandsanlage und 440.000 € für die neue Anlage. Die ursprüngliche Mehrinvestition von 40.000 € hat sich nach 15 Jahren zu einem Guthaben von 260.000 € entwickelt. Um zu entscheiden, ob die 40.000 € gut angelegt sind, muss die Rendite ausgerechnet werden. Mit der Zinseszinsrechnung kann man ausrechnen, dass die 40.000 € jährlich mit 12,5 % verzinst werden müssten, damit man nach 15 Jahren 260.000 € erzielt. Eine höhere Verzinsung ist auf dem Kapitalmarkt auch mit höherem Risiko zurzeit wohl nicht zu erzielen. Für die Kälteanlage gilt das Gegenteil. Mit der neuen Anlage wird das Risiko gemindert. Mit der zusätzlichen Investition hat man sich gegen zukünftige Preissteigerungen beim Strom und Kältemittel praktisch versichert.

Die neue Anlage erfüllt alle Kriterien, um von der Bafa gefördert zu werden. Über die Fördersumme von 20 % auf die Investitionskosten konnte sich der Betreiber zusätzlich freuen.